【技术实现步骤摘要】
一种还原平面建筑自由曲面网格结构至三维空间的方法
[0001]本专利技术涉及土木工程与计算机算法的应用
，特别是一种还原平面建筑自由曲面网格结构至三维空间的方法
。
技术介绍
[0002]随着相关理论及工程实践经验的不断积累，大跨空间结构，特别是造型独特
、
视觉冲击力强的建筑自由曲面结构在体育场馆
、
艺术馆等建筑结构中的应用也不断增多
。
然而，限于当前结构设计理论及技术，建筑自由曲面网格结构形态的高度复杂性仍使得其设计过程中存在诸多难点
。
为解决建筑自由曲面网格结构的设计问题，学者们所提出的方法可分为三类：第一类是纯手工进行建筑自由曲面的网格结构划分，该类方法对曲面的适应性强但是劳动量巨大；第二类方法是针对某一类建筑自由曲面形式而提出来的网格划分算法，该类方法在设计效率上大大提升，但在可应用的曲面类型上却有一定局限性；第三类方法是基于人工智能和深度学习的设计方法，该类方法深度挖掘设计数据并学习其内在规律，可在高效进行建筑自由曲面网格设计的同时，具有更强的曲面适用性
。
由此可见，基于人工智能和深度学习的方法为土木工程领域的技术问题提供了新的思路和手段，在土木工程领域内展现出了巨大的应用前景
。
然而，当前基于深度学习的网格划分方法受启发于计算机领域的图像识别与生成，故而造成应用深度学习方法得到的建筑自由曲面网格结构亦为图像，即其存在于二维空间，而非真实场景所需要的三维空间
。
利用何种
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种还原平面建筑自由曲面网格结构至三维空间的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤
S1、
获建筑自由曲面网格结构图，设置该图背景为白色，建筑自由曲面网格结构为黑色；步骤
S2、
将步骤
S1
中建筑自由曲面网格结构图输入预训练的生成对抗网络模型，模型输出自由曲面网格节点被红色像素圆点标记的建筑自由曲面网格结构图；步骤
S3、
提取步骤
S2
中生成对抗网络模型输出的建筑自由曲面网格结构图中的平面像素网格节点坐标，并进一步通过平移和缩放获得真实网格节点平面坐标；步骤
S4、
投影
S3
中真实网格节点平面坐标至建筑自由曲面，获得真实网格节点三维坐标；步骤
S5、
提取
S1
中原始建筑自由曲面网格结构图中节点间的拓扑关系；步骤
S6、
利用步骤
S4
中的真实网格节点三维坐标和步骤
S5
中的节点间的拓扑关系绘制三维建筑自由曲面网格结构图
。2.
根据权利要求1所述的一种还原平面建筑自由曲面网格结构至三维空间的方法，其特征在于，步骤
S2
中，预训练生成对抗网络模型的训练方式为，将建筑自由曲面网格结构图作为输入，自由曲面网格节点被红色像素圆点标记的建筑自由曲面网格结构图作为输出，训练生成对抗网络模型
。3.
根据权利要求1所述一种还原平面建筑自由曲面网格结构至三维空间的方法，其特征在于，步骤
S3
中，提取步骤
S2
中，生成对抗网络模型输出的建筑自由曲面网格结构图中的像素网格节点的具体步骤为：
(1)
获取步骤
S2
中生成对抗网络模型输出的建筑自由曲面网格结构图，保持图片的高宽比不变，将图片的宽和高分别乘以系数
15
，放大建筑自由曲面网格结构图，并用
P
表示尺寸被放大后的建筑自由曲面网格结构图；
(2)
定义红色像素圆点的
RGB
色彩限值的下限和上限分别为
L0(r0，
g0，
b0)
和
L1(r1，
g1，
b1)
，用该
RGB
色彩限值区间
[L0，
L1]
提取分离
P
中的红色像素圆点，将仅包含红色像素圆点的图片定义为
P
r
；
(3)
公式
(1)
图像形态学开运算公式，其中卷积核
K
是一个
n
×
n
的矩阵，矩阵中各值为1，将图片
P
r
代入公式
(1)
进行开运算，以分离
P
r
中距离小于预设值而相互连接的红色像素圆点，
P
′
r
表示经开运算处理过后的图片
P
r
；
(4)
提取
P
′
r
中每一个红色像素圆点的几何中心坐标，即建筑自由曲面网格结构图中的像素网格节点，并将建筑自由曲面网格结构图中的全部像素网格节点坐标用
N
pix
表示，如式
(2)
，用
N
i
(x
i
，
y
i
)
表示第
i
个建筑自由曲面网格结构图中的像素网格节点坐标，
(x
i
，
y
i
)
为对应的第
i
个节点坐标在图中的坐标值，其中，
i
＝1，2，
…
，
n
，将
N
pix
中表示建筑自由曲面左下角节点和右上角节点的像素网格坐标单独，分别为
N
LB
(x
LB
，
y
LB
)
和
N
RT
(x
RT
，
y
RT
)
；
N
pix
＝
[N1(x1，
y1)
，
…
，
N
i
(x
i
，
y
i
)
，
…
，
N
n
(x
n
，
y
n
)](2)。4.
根据权利要求3所述一种还原平面建筑自由曲面网格结构至三维空间的方法，其特征在于，步骤
S3
中，获得真实网格节点平面坐标的步骤具体如下：
(1)
令建筑自由曲面在参数空间的函数表达式为
S(u
，
v)
，参见公式
(3)
，其中，
u
和
v
分别对应曲面的横向和纵向参数，
n
和
m
分别为两方向的控制点的最大索引值，
p
和
q
分别对应参数
u
和
v
的
B
样条次数，
w
i
，
j
为权因子，
P
i
，
j
为曲面两个方向的控制网格坐标，
N
i
，
p
(u)
和
M
i
，
q
(v)
是样条基函数，参数空间函数
S(u
，
v)
为笛卡尔坐标系下的所有坐标点
(x
，
y
，
z)
的集合，两者的关系见式
(4)
，当给定参数空间的坐标值
(u
，
v)
，根据式
(3)
计算得到曲面
S(u
，
v)
对应的笛卡尔坐标系下的坐标
(x
，
y
，
z)
，将建筑自由曲面左下角节点及右上角节点坐标在参数空间
(u
，
v)
的坐标
(0
，
0)
和
(1
，
1)
分别代入式
(3)
得到笛卡尔坐标系下建筑自由曲面左下角节点及右上角节点坐标，分别为和和
(x
，
y
，
z)
＝
(x(u
，
v)
，
y(u
，
v)
，
z(u
，
v))
＝
S(u
，
v)(4)
其中，
x(u
，
v)
，
y(u
，
v)
，
z(u
，
v)
分别是
x
，
y
，
z
关于
u
，
v
的函数；
(2)
计算与
N
LB
(x
LB
，
yLB
)
的距离差值
(x
δ
，
y
δ
)
，其中，，其中，将式
(2)
中的建筑自由曲面网格结构图中的
n
个像素网格节点
N
i
(x
i
，
y
i
)
依次代入式
(5)
，得经坐标平移对齐后的建筑自由曲面网格结构图中的像素网格节点坐标将
n
个平移后的建筑自由曲面网格结构图的像素节点坐标表示为如式
(6)
，另外地，将平移后的
N
LB
(x
LB
，
y
LB
)
和
N
RT
(x
RT
，
y
RT
)
像素坐标表示为和和和
(3)
使用公式
(7)
计算
X
和
Y
方向的缩放系数
S
x
和
S
y
，用以缩放平移后的建筑自由曲面网格结构图的像素节点坐标依次代入像素网格节点坐标至公式
(8)
，获得其对应的真实网格节点平面坐标将
n
个真实网格节点坐标表示为如式
(9)
，其中，
i
＝1，2，
…
，
n
；；；
5.
根据权利要求4所述一种还原平面建筑自由曲面网格结构至三维空间的方法，其特征在于，步骤
S4
中，获得真实网格节点三维坐标，具体步骤为：
(1)
扩展所获得的真实网格节点平面坐标为
z
向坐标皆为0的空间坐标，使各坐标通式由扩展为作过三维空间中点且平行于空间笛卡尔坐标系中
Z
轴的直线，并将该直线表示为
l
i
，令直线集合的整体为
L
Z
，则得
L
Z
＝
[l1，
l2，
…
，
l
i
，
…
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